CN111693146B - 一种矢量超快光信号偏振态实时测量方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矢量超快光信号偏振态实时测量方法与系统。所述方法为：待测矢量超快光信号通过色散元件进行时间拉伸时频变换，然后经过光放大器补偿色散元件引入的光功率衰减，得到放大光信号，将其经偏振分束元件分为两路偏振方向彼此正交的光信号，其中一路光信号通过偏振控制元件将光偏振方向旋转90度，另一路光信号通过光延迟线保证两路光信号的光程足够接近，然后利用光耦合器将两路光信号合束并经过偏振相关元件得到单一偏振方向的光信号；通过高速信号采集部件实时记录处理后光信号的实时强度信息，并通过傅里叶算法得到待测矢量超快光信号的偏振态斯托克斯参数。本发明能够实现高刷新率的矢量光信号偏振态分析，实时测量偏振态的斯托克斯参数。

Description

一种矢量超快光信号偏振态实时测量方法与系统

技术领域

本发明涉及超快信号测量领域，特别涉及一种矢量超快光信号偏振态实时测量方法与系统。

背景技术

超快光信号在双折射介质中传播会因为交叉相位调制作用演化出矢量特性，形成矢量孤子。因此，在双折射介质，典型的如单模、保偏光纤构成的激光器和放大器中，脉冲通常以矢量孤子的形式存在，并伴随着或规则或不规则的偏振态演变。偏振态稳定性是保证激光系统的重要参数指标之一，而针对矢量超快光信号偏振态的分析也显得尤为关键。

目前，矢量超快光信号的偏振态分析测量方法主要包括：1)商用的偏振测量仪，这类测量仪一般不是面向大带宽的矢量超快光信号设计，由于受限前置玻片的机械旋转速度及适用光谱带宽，导致其刷新率低、响应带宽窄；2)基于色散傅里叶变换的矢量超快光信号实时测量方法，近期M.Liu等利用这种技术分析了矢量超快光信号的频域信息(Liu M.etal.Dynamic trapping of a polarization rotation vector soliton in a fiberlaser.Optics Letters,2017,42(2):330-333)，但由于缺少相对相位数据无法分析光信号的偏振态演变。

为了实现对光信号偏振态的实时测量，本发明提出了一种矢量超快光信号偏振态实时测量方法和系统。该方法结合了时间拉伸时频变换技术及相干叠加光信号的相位反演技术，解决了传统偏振态分析仪刷新率低、响应带宽窄的问题，能够将刷新率提升至MHz量级以上，同时保证响应带宽大于100nm。在超快测量领域，尤其是矢量光信号频域、偏振态信息的实时测量方面，有广阔的应用前景。

发明内容

本发明旨在实现矢量超快光信号偏振态的实时测量，突破传统偏振态分析仪存在的刷新速度慢、响应带宽窄的问题。

本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。

一种矢量超快光信号偏振态实时测量系统，包括色散元件、光放大器、偏振分束元件、偏振控制元件、光延迟线、光耦合器、偏振相关元件和高速信号采集部件；

其中，色散元件用于对输入的待测矢量超快光信号进行时间拉伸得到时频变换光信号并输出至光放大器；光放大器用于对功率衰减的光信号进行放大，补偿色散元件引入的光功率衰减，得到放大光信号并输出至偏振分束元件；偏振分束元件用于分离矢量光信号中的两个偏振分量，形成偏振方向彼此正交的两路光信号并分别将两路光信号输出至光延迟线和偏振控制元件；偏振控制元件用于旋转其中一路光信号的偏振方向从而实现与另一路光信号的相干叠加；光延迟线用于调整两路光信号传输的光程差；光耦合器连接偏振控制元件和光延迟线，重新合束两路光信号并输出至偏振相关元件；偏振相关元件用于选择特定偏振方向的光信号，得到单一偏振方向的光信号并将其输出至高速信号采集部件；高速信号采集部件用于将输入的单一偏振方向的光信号转换为电信号，然后进行实时数据采集并数字化，最后完成偏振态分析，实现矢量超快光信号偏振态实时测量。

进一步地，所述色散元件的色散量D_TS与待测矢量超快信号的脉冲宽度τ满足夫琅和费远场衍射条件D_TS＞＞τ²。

进一步地，所述光放大器包括稀土掺杂光纤、固体光放大器或半导体光放大器。

进一步地，偏振控制元件的偏振主轴方向与该路光信号的偏振方向相垂直，同时引入的相位差等于π的奇数倍；光延迟线的长度使两路的光程差Δl满足与波长λ以及波长分辨率Δλ间的关系式Δl≤λ²/Δλ。

进一步地，所述光耦合器包括空间型耦合器或光纤型耦合器。

进一步地，所述高速信号采集部件包括光电探测器和高速模数转换器，用于将接收的超快光信号信号转换为数字信号。

一种矢量超快光信号偏振态实时测量方法，包括以下步骤：

S1、待测矢量超快光信号通过色散元件进行时间拉伸时频变换，然后经过光放大器补偿色散元件引入的光功率衰减，得到放大光信号；

S2、步骤S1中得到的放大光信号经偏振分束元件分为两路偏振方向彼此正交的光信号，其中一路光信号通过偏振控制元件将光偏振方向旋转90度，另一路光信号通过光延迟线保证两路光信号的光程足够接近，然后利用光耦合器将两路光信号合束并经过偏振相关元件得到单一偏振方向的光信号；

S3、通过高速信号采集部件实时记录处理后光信号的实时强度信息，并通过傅里叶算法得到待测矢量超快光信号的偏振态斯托克斯参数。

进一步地，步骤S1中，在假设矢量孤子处于偏振态锁定的情况下，光信号(u₁,u₂)^T中的任意分量满足：

其中，u_j′(t)为经过时间拉伸时频变换后的归一化时域光信号，

为待测光信号u_j(t)对应的频域表达式，D_TS为色散元件的总色散量，τ为超快光信号的脉冲宽度，i表示虚数单位，t和ω分别代表时间和角频率；

为满足后续信号探测及采集的要求，光放大器对经色散元件处理后的矢量光信号进行了功率放大：

其中，(u″₁(t),u″₂(t))为经过光放大器后的超快光信号，分别对应放大后功率为P₁,P₂，因此放大前后偏振分量间的脉冲能量比例不变：

其中符号‖·‖表示函数的2-范数。

进一步地，步骤S2中，偏振分束元件将矢量光信号分离为偏振方向彼此垂直的两个分量u和v，

通过偏振控制元件对光信号v进行了如下变换：

其中，R为幺正矩阵，表示偏振控制元件相对原光信号的变换矩阵，

表示共轭转置，θ为元件主轴方向相对原坐标系的旋转角度，M为偏振控制元件的琼斯矩阵；

在不失一般性的情况下，假设2θ＝-π/2得到进入光耦合器时两个光信号分量u′和v′的表达式：

其中，t₀＝Δl/c,，式中Δl为有效光程差，c为光速；

设定偏振相关元件的偏振主轴方向与原光信号坐标系一致，得到合束后经偏振相关元件的光信号u_c(t)表达式：

进一步地，步骤S3中，由高速信号采集部件探测、采集并数字化，并通过快速傅里叶变换完成对偏振态信息的提取；所述时域强度信号如下：

I_c＝|u_c(t)|²；

将时域强度信号I_c等效地写为：

其中，符号

表示傅里叶变换，U₁,U₂分别为光信号u₁,u₂的模，相对相位

为待测矢量光信号两个偏振分量间的相对相移，进一步将I_c写为展开式：

其中，上标～表示对应的傅里叶象函数，上标*表示函数的共轭，c.c表示前面项的复数共轭，将上式简化为以下形式：

I_c＝S₀+S₁+S_-1；

根据上式可知，采集信号I_c的傅里叶象函数

其两测的旁瓣s₁(t-t₀)和s_-1(t+t₀)包括了矢量光信号偏振分量的相对幅度、相位信息，进而计算得到偏振态的斯托克斯参数p₂和p₃：

p₂＝Real(I_c*Rect(t-t₀))；

p₃＝Imag(I_c*Rect(t-t₀))；

其中，符号*表示卷积，Real()和Imag()分别代表取函数的实部和虚部，Rect()为矩形函数。

相比于传统的偏振态分析手段，本发明的优点在于：

本发明同时利用了色散傅里叶变换技术及相干叠加光信号的相位反演技术，解决了传统方法刷新率低的问题，能够将刷新率提升至MHz～GHz量级以上。在超快测量领域，为矢量光信号的分析提供了一种快速有效的技术手段；同时通过应用这种测量方法还可以潜在地提高偏振控制系统的响应、反馈速度。本发明包括但不仅限于在超快测量、超快成像等领域的应用。

附图说明：

图1为本发明实施例中矢量超快光信号偏振态实时测量系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中待测信号两个偏振方向的光信号分量相干叠加后的光谱示意图；

图3为本发明实施例中图2光谱的傅里叶变换及滤波后的复函数的实部示意图；

图4为本发明实施例中通过测量系统得到的不同时刻下超快光信号的偏振态在斯托克斯参数平面上的位置变化示意图。

具体实施方式：

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图并举实施例，对本发明的具体实施进行详细说明。

实施例：

一种矢量超快光信号偏振态实时测量系统，如图1所示，包括色散元件1、光放大器2、偏振分束元件3、偏振控制元件4、光延迟线5、光耦合器6、偏振相关元件7和高速信号采集部件8；

其中，色散元件1用于对输入的待测矢量超快光信号进行时间拉伸得到时频变换光信号并输出至光放大器2；光放大器2用于对功率衰减的光信号进行放大，补偿色散元件引入的光功率衰减，得到放大光信号并输出至偏振分束元件3；偏振分束元件3用于分离矢量光信号中的两个偏振分量，形成偏振方向彼此正交的两路光信号并分别将两路光信号输出至光延迟线5和偏振控制元件4；偏振控制元件4用于旋转其中一路光信号的偏振方向从而实现与另一路光信号的相干叠加；光延迟线5用于调整两路光信号传输的光程差；光耦合器6连接偏振控制元件4和光延迟线5，重新合束两路光信号并输出至偏振相关元件7；偏振相关元件7用于选择特定偏振方向的光信号信号，得到单一偏振方向的光信号并将其输出至高速信号采集部件8；高速信号采集部件8用于将输入的单一偏振方向的光信号转换为电信号，然后进行实时数据采集并数字化，最后完成偏振态分析，实现矢量超快光信号偏振态实时测量。

所述色散元件1的色散量D_TS与待测矢量超快信号的脉冲宽度τ满足夫琅和费远场衍射条件D_TS＞＞τ²。

所述光放大器2包括稀土掺杂光纤、固体光放大器或半导体光放大器。

偏振控制元件4的偏振主轴方向与该路光信号的偏振方向相垂直，同时引入的相位差等于π的奇数倍；光延迟线5的长度使两路的光程差Δl满足与波长λ与波长分辨率Δλ间的关系式Δl≤λ²/Δλ。

所述光耦合器6包括空间型耦合器或光纤型耦合器。

所述高速信号采集部件8包括光电探测器和高速模数转换器，用于将接收的超快光信号信号转换为数字信号。

一种矢量超快光信号偏振态实时测量方法，包括以下步骤：

S1、待测矢量超快光信号通过色散元件进行时间拉伸时频变换，然后经过光放大器补偿色散元件引入的光功率衰减，得到放大光信号；

在假设矢量孤子处于偏振态锁定的情况下，光信号(u₁,u₂)^T中的任意分量满足：

其中，u′_j(t)为经过时间拉伸时频变换后的归一化时域光信号，

为待测光信号u_j(t)对应的频域表达式，D_TS为色散元件的总色散量，τ为超快光信号的脉冲宽度，i表示虚数单位，t和ω分别代表时间和角频率；

为满足后续信号探测及采集的要求，光放大器对经色散元件处理后的矢量光信号进行了功率放大：

其中，(u″₁(t),u″₂(t))为经过光放大器后的超快光信号，分别对应放大后功率为P₁,P₂，因此放大前后偏振分量间的脉冲能量比例不变：

其中符号‖·‖表示函数的2-范数。

S2、步骤S1中得到的放大光信号经偏振分束元件分为两路偏振方向彼此正交的光信号，其中一路光信号通过偏振控制元件将光偏振方向旋转90度，另一路光信号通过光延迟线保证两路光信号的光程足够接近，然后利用光耦合器将两路光信号合束并经过偏振相关元件得到单一偏振方向的光信号；

偏振分束元件将矢量光信号分离为偏振方向彼此垂直的两个分量u和v，

通过偏振控制元件对光信号v进行了如下变换：

其中，R为幺正矩阵，表示偏振控制元件相对原光信号的变换矩阵，

表示共轭转置，θ为元件主轴方向相对原坐标系的旋转角度，M为偏振控制元件的琼斯矩阵；

在不失一般性的情况下，假设2θ＝-π/2得到进入光耦合器时两个光信号分量u′和v′的表达式：

其中，t₀＝Δl/c,，式中Δl为有效光程差，c为光速；

设定偏振相关元件的偏振主轴方向与原光信号坐标系一致，得到合束后经偏振相关元件的光信号u_c(t)表达式：

S3、通过高速信号采集部件实时记录处理后光信号的实时强度信息，并通过傅里叶算法得到待测矢量超快光信号的偏振态斯托克斯参数；

由高速信号采集部件探测、采集并数字化，并通过快速傅里叶变换完成对偏振态信息的提取；所述时域强度信号如下：

I_c＝|u_c(t)|²；

将时域强度信号I_c等效地写为：

其中，符号

表示傅里叶变换，U₁,U₂分别为光信号u₁,u₂的模，相对相位

为待测矢量光信号两个偏振分量间的相对相移，进一步将I_c写为展开式：

其中，上标～表示对应的傅里叶象函数，上标*表示函数的共轭，c.c表示前面项的复数共轭，将上式简化为以下形式：

I_c＝S₀+S₁+S_-1；

根据上式可知，采集信号I_c的傅里叶象函数

其两测的旁瓣s₁(t-t₀)和s_-1(t+t₀)包括了矢量光信号偏振分量的相对幅度、相位信息，进而计算得到偏振态的斯托克斯参数p₂和p₃：

p₂＝Real(I_c*Rect(t-t₀))；

p₃＝Imag(I_c*Rect(t-t₀))；

其中，符号*表示卷积，Real()、Imag()分别代表取函数的实部和虚部，Rect()为矩形函数。

本实施例中，待测信号为1GHz重复频率的矢量孤子，矢量孤子光信号由锁模光纤激光器的数值模型模拟生成，将该矢量超快光信号输入本发明测量系统中，高速信号采集部件获取的时域波形仿真结果如图2所示；

图3为本发明实施例中图2光谱的傅里叶变换及矩形函数滤波后的复函数的实部；

图4为本发明实施例中通过测量系统得到的不同时刻下超快光信号的偏振态在斯托克斯参数平面上的位置变化，图中描述了0～5ns下矢量孤子偏振态的演变特性，采样时间间隔为1ns，说明本发明的偏振态实时测量系统的刷新率可达GHz量级。

上述实施例为本发明的实施方式之一，但本发明的实施方式并不受所述实施例与测试例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种矢量超快光信号偏振态实时测量系统，其特征在于，包括色散元件、光放大器、偏振分束元件、偏振控制元件、光延迟线、光耦合器、偏振相关元件和高速信号采集部件；

其中，色散元件用于对输入的待测矢量超快光信号进行时间拉伸得到时频变换光信号并输出至光放大器；光放大器用于对功率衰减的光信号进行放大，补偿色散元件引入的光功率衰减，得到放大光信号并输出至偏振分束元件；偏振分束元件用于分离矢量光信号中的两个偏振分量，形成偏振方向彼此正交的两路光信号并分别将两路光信号输出至光延迟线和偏振控制元件；偏振控制元件用于旋转其中一路光信号的偏振方向从而实现与另一路光信号的相干叠加；光延迟线用于调整两路光信号传输的光程差；光耦合器连接偏振控制元件和光延迟线，重新合束两路光信号并输出至偏振相关元件；偏振相关元件用于选择特定偏振方向的光信号，得到单一偏振方向的光信号并将其输出至高速信号采集部件；高速信号采集部件用于将输入的单一偏振方向的光信号转换为电信号，然后进行实时数据采集并数字化，最后完成偏振态分析，实现矢量超快光信号偏振态实时测量；

所述光放大器为稀土掺杂光纤、固体光放大器或半导体光放大器；所述光耦合器为空间型耦合器或光纤型耦合器；所述高速信号采集部件包括光电探测器和高速模数转换器，用于将接受的超快光信号信号转换为数字信号。

2.根据权利要求1所述的一种矢量超快光信号偏振态实时测量系统，其特征在于，所述色散元件的色散量D_TS与待测矢量超快信号的脉冲宽度τ满足夫琅和费远场衍射条件D_TS＞＞τ²。

3.根据权利要求1所述的一种矢量超快光信号偏振态实时测量系统，其特征在于，偏振控制元件的偏振主轴方向与该路光信号的偏振方向相垂直，同时引入的相位差等于π的奇数倍；光延迟线的长度使两路的光程差Δl满足与波长λ以及波长分辨率Δλ间的关系式Δl≤λ²/Δλ。

4.一种矢量超快光信号偏振态实时测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、待测矢量超快光信号通过色散元件进行时间拉伸时频变换，然后经过光放大器补偿色散元件引入的光功率衰减，得到放大光信号；

S2、步骤S1中得到的放大光信号经偏振分束元件分为两路偏振方向彼此正交的光信号，其中一路光信号通过偏振控制元件将光偏振方向旋转90度，另一路光信号通过光延迟线保证两路光信号的光程足够接近，然后利用光耦合器将两路光信号合束并经过偏振相关元件得到单一偏振方向的光信号；

S3、通过高速信号采集部件实时记录处理后光信号的实时强度信息，并通过傅里叶算法得到待测矢量超快光信号的偏振态斯托克斯参数。

5.根据权利要求4所 述的一种矢量超快光信号偏振态实时测量方法，其特征在于，步骤S1中，在假设矢量孤子处于偏振态锁定的情况下，光信号(u₁，u₂)^T中的任意分量满足：

其中，u′_j(t)为经过时间拉伸时频变换后的归一化时域光信号，

为待测光信号u_j(t)对应的频域表达式，D_TS为色散元件的总色散量，τ为超快光信号的脉冲宽度，i表示虚数单位，t和ω分别代表时间和角频率；

为满足后续信号探测及采集的要求，光放大器对经色散元件处理后的矢量光信号进行了功率放大：

其中，(u″₁(t)，u″₂(t))为经过光放大器后的超快光信号，分别对应放大后功率为P₁，P₂，因此放大前后偏振分量间的脉冲能量比例不变：

其中符号||·||表示函数的2-范数。

6.根据权利要求4所述的一种矢量超快光信号偏振态实时测量方法，其特征在于，步骤S2中，偏振分束元件将矢量光信号分离为偏振方向彼此垂直的两个分量u和v，

通过偏振控制元件对光信号v进行了如下变换：

其中，R为幺正矩阵，表示偏振控制元件相对原光信号的变换矩阵，

表示共轭转置，θ为元件主轴方向相对原坐标系的旋转角度，M为偏振控制元件的琼斯矩阵；

在不失一般性的情况下，假设2θ＝-π/2得到进入光耦合器时两个光信号分量u′和v′的表达式：

其中，t₀＝Δl/c，，式中Δl为有效光程差，c为光速；

设定偏振相关元件的偏振主轴方向与原光信号坐标系一致，得到合束后经偏振相关元件的光信号u_c(t)表达式：

7.根据权利要求4所述的一种矢量超快光信号偏振态实时测量方法，其特征在于，步骤S3中，由高速信号采集部件探测、采集并数字化，并通过快速傅里叶变换完成对偏振态信息的提取；时域强度信号如下：

I_c＝|u_c(t)|²；

将时域强度信号I_c等效地写为：

其中，符号

表示傅里叶变换，U₁，U₂分别为光信号u₁，u₂的模，相对相位

为待测矢量光信号两个偏振分量间的相对相移，进一步将I_c写为展开式：

其中，上标～表示对应的傅里叶象函数，上标*表示函数的共轭，c.c表示前面项的复数共轭，将上式简化为以下形式：

I_c＝S₀+S₁+S_-1；

根据上式可知，采集信号I_c的傅里叶象函数

其两测的旁瓣s₁(t-t₀)和s_-1(t+t₀)包括了矢量光信号偏振分量的相对幅度、相位信息，进而计算得到偏振态的斯托克斯参数p₂和p₃：

p₂＝Real(I_c*Rect(t-t₀))；

p₃＝Imag(I_c*Rect(t-t₀))；

其中，符号*表示卷积，Real()和Imag()分别代表取函数的实部和虚部，Rect()为矩形函数。

Images